物理、化学因素对清洁高效柴油燃烧过程影响的试验研究

论文摘要

在能源和环境的双重压力下,柴油低温燃烧成为国内外的研究焦点。但柴油的物理特性使得低温燃烧过程中可燃混合气的制备相当困难,提高燃油与空气的混合速率,改善混合气的浓度和温度分层是实现低温燃烧过程的根本保障。本文从燃油控制和缸内状态（温度、压力和氧浓度）控制出发,以清洁高效柴油燃烧过程为研究对象,通过试验和数值模拟相结合的方法,开展了各种物理、化学因素对柴油燃烧过程的耦合控制机理研究。基于间隔调制多脉冲喷油模式的柴油预混燃烧试验结果表明,脉冲间隔时间、脉冲喷射前后期的油量及其比例、脉冲喷射次数和喷油定时是控制柴油预混燃烧过程的关键参数。优化的喷油定时、脉冲间隔时间、脉冲油量及其比例以及喷射次数能显著改善脉冲燃油与空气的混合过程,降低未燃油滴损失率,控制缸内混合气的浓度和温度分层,进而实现对预混燃烧过程着火和放热速率的有效控制。基于间隔调制多脉冲喷油模式的“分子重整”型复合燃烧概念能在保持低排放和低燃烧噪声的同时进一步完善燃烧过程,提高燃烧效率和热效率。预混喷油模式、喷油压力、主喷定时、后喷喷油策略及进气压力等物理因素的优化能进一步促进“分子重整”型复合燃烧过程燃油与空气的混合,改善燃烧过程,在较高负荷下实现了具有达到国Ⅴ排放标准潜力的低NOx和碳烟排放清洁燃烧过程。可变气门技术能明显降低缸内的温度和压力,进而对“分子重整”型复合燃烧过程中的预混、主喷以及后喷燃油的燃烧放热过程产生“链”式影响。在优化的气门关闭定时下,可变气门技术与复合燃烧过程的耦合在保持较高的IMEP和指示热效率的前提下实现了最优的NOx-碳烟折中排放。进气压力、可变气门技术、喷油策略及EGR的相互优化耦合能有效的改变高负荷时缸内的温度、压力和氧浓度状态,进而对燃油与空气的混合及燃烧放热过程产生巨大的影响。在气门关闭定时大幅度推迟,高进气压力保证足够的进气氧量的基础上,在优化的主喷定时下,引入少量EGR就能同时实现NOx和碳烟排放的大幅度下降,此时的IMEP和指示热效率也分别保持在较高的水平,基本实现了高负荷下清洁高效的柴油燃烧过程。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 柴油机发展的制约因素
• 1.3 柴油低温燃烧技术
• 1.3.1 柴油低温燃烧概念的引入
• 1.3.2 燃油/空气混合过程强化新技术
• 1.4 柴油低温燃烧概念的发展近况
• 1.4.1 柴油HCCI燃烧的发展近况
• 1.4.2 柴油LTC燃烧的发展概况
• 1.5 本课题的研究内容和意义
• 第二章 高效清洁柴油燃烧系统总体研究方案
• 2.1 基本思路和方案
• 2.2.1 单缸模拟增压进气系统
• 2.2.2 单缸燃油供应系统
• 2.2.2.1 Bosch高压共轨电控喷油器
• 2.2.2.2 Bosch高压油泵
• 2.2.2.3 共轨管
• 2.2.3 单缸排气EGR系统
• 2.2.4 单缸可变气门系统
• 2.2.5 基于微机的多脉冲复合喷射控制系统
• 2.3 发动机燃烧参数采集分析系统
• 2.4 清洁高效柴油燃烧过程的热力学分析方法
• 2.4.1 单区放热模型的基本假设
• 2.4.2 数学描述
• 2.4.3 气缸容积约束方程
• 2.4.4 传热量的计算
• 2.4.5 燃烧过程相关评价参数的定义
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于间隔调制的多脉冲喷油模式预混燃烧过程研究
• 3.1 研究概述
• 3.1.1 本研究拟解决的问题
• 3.1.2 基本研究方法
• 3.1.3 基本试验方案
• 3.2 基于能量平衡法的未燃油滴损失分析方法
• 3.3 典型喷油模式的调制
• 3.4 基于间隔调制喷油模式的预混燃烧排放及热效率分析
• 3.4.1 φ≤0.26 时各调制喷油模式的排放和热效率分析
• 3.4.2 0.26≤φ≤0.31 时各调制喷油模式的排放和热效率分析
• 3.4.3 φ≥0.35 时各调制喷油模式的排放和热效率分析
• 3.5 间隔调制喷油模式对未燃油滴损失率的影响
• 3.6 间隔调制喷油模式对预混燃烧着火始点和放热过程的控制
• 3.6.1 喷油定时对着火始点和放热过程的控制
• 3.6.2 喷油模式对着火始点和放热过程的控制
• 3.7 间隔调制喷油模式预混燃烧的压力升高率特征
• 3.8 “分子重整”型复合燃烧过程的实现
• 3.9 本章小结
• 第四章 物理因素对“分子重整”型复合燃烧过程的影响研究
• 4.1 基本研究方案
• 4.2 预混喷油模式对“分子重整”型复合燃烧过程影响的研究
• 4.2.1 预混喷油模式对复合燃烧过程排放和热效率的影响
• 4.2.2 预混喷油模式对预混和主喷燃油耦合燃烧过程的影响
• 4.3 喷油压力和主喷定时对复合燃烧过程的影响研究
• 4.3.1 喷油压力对复合燃烧过程的影响
• 4.3.2 主喷定时对复合燃烧过程的影响
• 4.4 后喷喷油策略对复合燃烧过程的影响研究
• 4.5 进气压力对复合燃烧过程的影响研究
• 4.6 “分子重整”型复合燃烧过程的三维数值模拟分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 物理、化学因素对柴油燃烧过程的协调控制机理研究
• 5.1 研究概述
• 5.2 可变气门技术对“分子重整”型复合燃烧过程的影响机理研究
• 5.3 物理、化学因素的耦合对柴油燃烧过程的影响机理研究
• 5.3.1 喷油策略和可变气门技术的耦合作用研究
• 5.3.2 喷油策略、VVT和EGR的耦合作用研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢